Сталь, являющаяся краеугольным камнем современной цивилизации и промышленности, играет критическую роль в эволюции характеристик компонентов, работающих в экстремальных условиях нагружения, при этом предел текучести стал ключевым проектным параметром, определяющим безопасность эксплуатации. После почти столетия развития предел текучести сверхвысокопрочных аэрокосмических сплавов достиг примерно 2 ГПа. Однако развитие передовых технологий следующего поколения, таких как трансмиссионные валы для аппаратов глубокого космоса, требует значительного скачка к сверхвысокому пределу текучести в 3 ГПа. Это требует, чтобы материалы при достижении сверхвысокой прочности ни в коем случае не жертвовали ключевыми показателями повреждённости, такими как общее относительное удлинение, относительное сужение и сопротивление усталости.

Ключевая проблема на пути к прочности 3 ГПа заключается в катастрофической потере вязкости, сопутствующей сверхвысокой прочности. Традиционные однофакторные методы упрочнения, такие как холодная деформационная обработка, легко вызывают локальную концентрацию напряжений, приводя к резкому снижению общего удлинения материала до менее 3 % и возникновению хрупкого скола. Как охрупчивание, вызванное хрупкими интерметаллидными фазами в дисперсионно-твердеющих мартенситных сталях, так и скопления дислокаций в холоднотянутой проволоке, легко приводят к преждевременному зарождению трещин. Как преодолеть традиционный компромисс между прочностью и пластичностью при сохранении однородности состава и подавлении вредной сегрегации по границам зёрен, и при этом достичь промышленного производства высоковязкой стали уровня 3 ГПа, остаётся серьёзным узким местом в современном материаловедении.

Для решения указанных проблем коллектив исследователей под руководством Пекинского университета аэронавтики и астронавтики, Центрального научно-исследовательского института чёрной металлургии и других организаций провёл систематическое исследование с использованием in situ SEM ZEPTOOLS. Команда инновационно объединила разработку настраиваемых наноразмерных выделений с высокотемпературной интенсивной пластической деформацией. Путём совместного формирования иерархической микроструктуры, включающей множественные несогласованные нанокогерентные выделения, высокоплотные пространственно-равномерно распределённые дислокации и ультрамелкие равноосные зёрна, им удалось достичь получения сверхвысокопрочной стали с пределом текучести 3 ГПа, сохранив при этом превосходную повреждаемость и промышленную масштабируемость.

Название: Ductile and scalable 3 GPa steel via a hierarchical microstructural architecture
Журнал: Nature Communications
Ссылка:https://doi.org/10.1038/s41467-026-74216-4

Данное исследование, направленное на решение широко распространённой проблемы компромисса между прочностью и пластичностью в сверхвысокопрочных сталях, систематически излагает новую стратегию получения мартенситно-стареющей стали, основанную на проектировании иерархической микроструктуры, с номинальным составом в весовых процентах: Fe-16Ni-7Mo-1.6Ti-15Co-0.1Al. Для преодоления традиционного технического барьера катастрофического падения удлинения и возникновения хрупкого разрушения при приближении предела текучести к 3 ГПа, исследовательская группа осуществила глубокую синергетическую настройку специально подобранного химического состава и инновационного процесса высокотемпературной интенсивной пластической деформации. Установив температуру выдержки на уровне 950 °C, контролируя температуру окончания ковки выше 800 °C и достигая накопленной истинной деформации 10 и более, этот процесс на микроуровне вводит чрезвычайно высокую плотность дислокаций и сверхмелкозернистое предшествующее состояние. Этот инновационный термомеханический путь обработки не только эффективно предотвращает сегрегацию вредных растворённых элементов по границам зёрен и преждевременное выделение хрупких интерметаллидов, но и создаёт прочную основу для последующего крупномасштабного равномерного дисперсионного твердения, демонстрируя высокую промышленную применимость.

В исследовании подробно рассматривается, как точно упорядочить внутренние дефекты материала на микро- и наноуровне, чтобы решить проблему преждевременного растрескивания традиционных высокопрочных сталей из-за концентрации напряжений, вызванной однофакторным упрочнением. Благодаря синергетической регуляции мартенситная матрица после старения превращается в ультрамелкую изотропную иерархическую структуру со средним размером равноосных эффективных зёрен всего 0,53 мкм и долей высокоугловых границ зёрен до 79,6 %. При этом внутри матрицы сохраняется высокая плотность дислокаций до 1,05 × 10^16 м⁻², которые образуют пространственно равномерную распределённую сеть, а не локальные переплетения или дислокационные стенки, характерные для традиционной холодной прокатки, что обеспечивает способность материала к устойчивому деформационному упрочнению при сверхвысоких напряжениях. На этой основе два типа нанокогерентных выделений с различной решёточной несоразмерностью — сферическая ω-фаза и игольчатая η-Ni₃Ti-фаза — диспергированы в матрице с чрезвычайно высокой числовой плотностью и ультрамалым радиусом, что не только эффективно препятствует скольжению дислокаций в условиях высоких напряжений, но и служит обширным источником зарождения дислокаций, тем самым эффективно задерживая наступление локальной пластической нестабильности.

Для выяснения механизмов динамической пластической деформации и эволюции разрушения материала на микроуровне исследование специально разработало и провело динамические in situ испытания на растяжение в сканирующем электронном микроскопе. В процессе этих испытаний исследовательская группа использовала разработанный ZEPTOOLS in situ высокотемпературный столик для растяжения, проводя наблюдения за микромеханическим нагружением в реальном времени на образцах в виде тонких пластин толщиной 0,5 мм и шириной 1,5 мм при постоянной скорости деформации 2 мкм/с. Благодаря этому высокоточному методу in situ характеризации исследование чётко зафиксировало ключевую роль иерархической микроструктуры в процессе распространения трещины, напрямую подтвердив, что данная конструкция позволяет коренным образом преобразовать смешанное хрупкое сколоразрушение в традиционном холоднокатаном и состаренном состоянии в микровязкое разрушение, контролируемое коалесценцией микропор. Благодаря точному нагружению и наблюдению с помощью этого прибора исследование показало, что пространственно-равномерно распределённые высокоплотные дислокации и нанокогерентные выделения вызывают критическую релаксацию напряжений у вершины трещины, в то время как высокая доля высокоугловых границ ультрамелких равноосных зёрен заставляет траекторию распространения трещины сильно извиваться и становиться зубчатой, значительно усиливая диссипацию энергии в процессе роста микропор, что успешно раскрывает внутреннюю природу механики разрушения, обеспечивающую высокую вязкость материала при предельной прочности 3 ГПа.

Точное проектирование выделений и макрорегулирование микроструктуры, реализованные в данном исследовании, в конечном итоге обеспечили на макроскопическом уровне ряд выдающихся показателей, побивших существующие международные рекорды. Испытания на растяжение при комнатной температуре показали, что новая сталь достигла предела текучести до 2977 МПа и предела прочности при растяжении 3009,5 МПа, сохраняя при этом общее удлинение 7,0 % и относительное сужение до 47,5 %, что значительно превосходит все существующие аналоги уровня 3 ГПа. В отношении повреждаемости сталь продемонстрировала вязкость разрушения в условиях плоской деформации 26,0 МПа·м^1/2 и предел выносливости при комнатной температуре до 1240 МПа при 10^7 циклах. Ещё более прорывным является то, что даже в экстремальных высокотемпературных условиях при 500 °C материал сохраняет сверхвысокий предел текучести более 2 ГПа с хорошей пластичностью, и эти превосходные комплексные механические свойства не ограничиваются лабораторным приготовлением в малых количествах, а были полностью и стабильно воспроизведены в промышленных крупногабаритных прутках диаметром 30 мм и длиной более 1 м, что убедительно подтверждает значительный потенциал данной технологии для крупномасштабного промышленного применения при производстве компонентов, работающих в экстремальных условиях нагружения в аэрокосмической и других отраслях.

In situ высокотемпературный столик для растяжения ZEPTOOLS PicoFemto для сканирующего электронного микроскопа представляет собой передовое устройство, объединяющее модуль механического растяжения и модуль высокотемпературной среды, позволяющее проводить испытания на растяжение при одновременном in situ нагреве образца в сканирующем электронном микроскопе. Данный продукт использует решение для высокотемпературного растяжения нового поколения, в котором нагревательный столик непосредственно прилегает к образцу, обеспечивая точность и стабильность температуры.